(57)【要約】【課題】パルス電圧を用いて、高速且つ安定的に荷電粒子ビームを取り出し、さらに取り出された荷電粒子ビームの強度を均一にし、高精度な照射線量の制御を可能にする荷電粒子ビームの取り出し方法を提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するために、本願発明は、荷電粒子ビームを加速する円形加速器において、加速された荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加し、荷電粒子ビームの一部のみに運動量偏差を発生させ、荷電粒子ビームの進行方向に対する水平方向の位相空間内において、運動量偏差が大きい一部の荷電粒子を安定外領域かつ取り出し領域に位置させ、前記安定外領域かつ取り出し領域に位置した荷電粒子群を選択的に水平方向に大きく偏向させて取り出すことを特徴とする荷電粒子ビームの取り出し方法の構成とした。【選択図】図１
2011019036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを加速する円形加速器において、加速された荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加し、荷電粒子ビームの一部のみに運動量偏差を発生させ、荷電粒子ビームの進行方向に対する水平方向の位相空間内において、運動量偏差が大きい一部の荷電粒子を安定外領域かつ取り出し領域に位置させ、前記安定外領域かつ取り出し領域に位置した荷電粒子群を選択的に水平方向に大きく偏向させて取り出すことを特徴とする荷電粒子ビームの取り出し方法。
【請求項２】
前記荷電粒子ビームの取り出しラインにビームモニタを設け、前記ビームモニタからのビーム強度シグナルを基に、前記荷電粒子ビームに対する前記パルス電圧の印加回数を決定するフィードバック制御を備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビームの取り出し方法。
【請求項３】
前記パルス電圧が、荷電粒子ビームの進行方向に対して正又は負の電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷電粒子ビームの取り出し方法。
【請求項４】
前記パルス電圧の電圧値又は印可時間を調節し、取り出される荷電粒子ビームのビーム強度を調節することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の荷電粒子ビームの取り出し方法。
【請求項５】
荷電粒子の入射装置と、高周波加速空洞により荷電粒子を加速するシンクロトロンと、荷電粒子の出射装置と、荷電粒子ビーム利用ラインとからなる加速器であって、
さらに荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加するパルス電圧発生装置を荷電粒子ビームの周回設計軌道上に備え、加速された荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加し、荷電粒子ビームの一部のみに運動量偏差を発生させ、荷電粒子ビームの進行方向に対する水平方向の位相空間内において、運動量偏差が大きい一部の荷電粒子を安定外領域かつ取り出し領域に位置させ、前記安定外領域かつ取り出し領域に位置した荷電粒子群を選択的に水平方向に大きく偏向させる出射装置により、前記荷電粒子ビーム利用ラインに取り出すことを特徴とする加速器。
【請求項６】
前記荷電粒子利用ラインへの荷電粒子ビームの取り出しライン中に、ビームモニタを設け、前記ビームモニタのビーム強度シグナルを基に、前記荷電粒子ビームに対する前記パルス電圧の印加回数を決定するフィードバック制御手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の加速器。
【請求項７】
前記パルス電圧発生装置が、前記設計軌道上に備えられた荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタからの通過シグナル及び前記設計軌道上に備えられた荷電粒子ビームの重心位置を感知する位置モニタからの位置シグナルを基に、誘導加速セルから荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印可することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の加速器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、シンクロトロンと呼ばれる円形加速器を主構成とする加速器に関し、より詳しくは加速された荷電粒子ビームの取り出し技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から荷電粒子ビームの加速には、高周波加速空洞から発生する高周波電圧を用いたシンクロトロンがある。近年、誘導加速セルから発生する誘導電圧を用いた荷電粒子ビームの加速方法が開発された。そして加速された荷電粒子ビームは、物理実験や医療等に使用されてきた。【０００３】
シンクロトロンでは荷電粒子ビームは、設計軌道をベータトロン振動しながら周回している。従来の加速された荷電粒子ビームの取り出しには、特許文献１の従来技術に記載のように荷電粒子ビームの水平方向（横方向、半径方向、或いはｘ方向などとも呼ぶ。）に生じる共鳴現象である「３次共鳴」が用いられてきた。【０００４】
ここで、荷電粒子ビームの「水平方向」とは、シンクロトロンにおける荷電粒子ビームの軌道の周回面の半径が増加する方向を正と定める方向である。シンクロトロン内で荷電粒子ビームが周回しているとき、周回面の上から荷電粒子ビームの周回軌道を観察した場合、遠心力は水平方向の正側に働く。そのため周回ビームラインと取り出しビームラインが干渉しないよう、荷電粒子ビームの取り出し口は一般に周回軌道の外側に配置される。そして、荷電粒子ビームを取り出すときは、周回している荷電粒子ビームの内、最外側を周回する一部の粒子を取り出す。【０００５】
従来から３次共鳴により荷電粒子ビームを周回軌道から取り出すためには、（１）荷電粒子ビームの進行方向のエネルギーを変化させること。（２）荷電粒子ビームを横方向の高周波電場により、共振周波数で振動させること。（２）６極電磁石の励磁によりベータトロン振動の安定領域を変化させること。の何れかが採用されてきた。【０００６】
ここで、６極電磁石が発生する磁場は、荷電粒子ビームの水平方向の位相空間内での安定領域の大きさを規定し、前記磁場が大きいほど安定領域は小さくなる。また位相空間は、個々の荷電粒子が、基準粒子が描く設計軌道の中心に対する相対位置を横軸に、個々の荷電粒子の運動量偏差を縦軸に採用した平面として表することができ、荷電粒子ビーム挙動の説明において一般的に用いられる。【０００７】
荷電粒子ビームが安定領域に留まれる条件として、水平方向位相空間内での各荷電粒子の座標、および進行方向の運動量偏差がともに影響することが分かっている。すなわち、位相空間内で同じ座標に位置する荷電粒子であっても、進行方向の運動量偏差が大きい場合、その荷電粒子に対する位相空間内での安定領域は小さいことが分かっている。【０００８】
例えば、上述の（３）の荷電粒子ビームの取り出し方法に相当するものとして、特許文献１の発明が開示されている。特許文献１に記載の発明は、荷電粒子ビームの取り出し開始前にエミッタンスを増加させること（請求項１）。また、荷電粒子ビームの取り出し開始時の水平方向又は垂直方向のエミッタンスを、ビームのエネルギーによらず概ね一定にすること（請求項２）。さらに、加速開始時又は加速の途中から加速終了までの間、水平方向又は垂直方向のエミッタンスを概ね一定に保つこと（請求項３）を特徴とする。その原理を図８に示した。ここで、エミッタンスは理想荷電粒子の運動軌跡に対して実在の荷電粒子が個々に持つ運動量誤差に起因するビームの「位相空間的広がり」を意味する。【０００９】
図８は、荷電粒子ビームのエネルギーを変化させて荷電粒子ビームを取り出す従来の荷電粒子ビームの取り出し方法の原理模式図であり、荷電粒子ビーム内運動偏差（Δｐ／ｐ）を縦軸に、時間（ｔ）を横軸として表した。【００１０】
荷電粒子ビーム内運動偏差（Δｐ／ｐ）とは、偏向磁場によって定まる、設計軌道を周回するエネルギーを有する荷電粒子（基準粒子）と、個々の荷電粒子における進行方向との運動量偏差（Δｐ）、基準粒子の進行方向の運動量（ｐ）の比である。Ｔ０は基準粒子がシンクロトロンを1周するのに要する時間（周回周期）である。【００１１】
図８に示すように、従来の荷電粒子ビームの取り出し方法では、高周波加速空洞から発生する高周波電圧２ｃ（点線）で加速した荷電粒子ビーム６全体（点線）に、高周波加速空洞とは別に設けた高周波発生装置から高周波電圧６ｅ（実線）を印可し、荷電粒子ビームの取り出し直前の荷電粒子群６ａ全体（実線）をさらに加速（上向き矢印）させることで、安定領域から安定外領域８ａに外れた荷電粒子群６ｂ（着色部分）を選択的に、例えば出射デフレクタなどで出射ライン４に取り出していた。【００１２】
特許文献１の技術を含む従来からの荷電粒子ビームの取り出し方法では、図８に示すように何れも加速した荷電粒子ビームの全体に影響を与えるものであった。また荷電粒子ビームを取り出し状態に調整するまで時間を要し、さらに取り出された荷電粒子ビームの強度に大きな強度差があり、ビーム強度を一定にすることが困難であった。【００１３】
従来の荷電粒子ビームの取り出し方法で、取り出した荷電粒子ビームのビーム強度［Ａ］は、次の理由で一定にできなかった。【００１４】
従来の高周波電圧（ＲＦ）を用いたシンクロトロンでは、高周波電圧が荷電粒子ビームの進行方向の閉じ込めと荷電粒子ビームの加速の両機能を担うことを前提としていた。また、水平方向の共鳴周波数は、偏向電磁石の磁場強度及び収束電磁石の磁場強度によって磁場強度を一定な状態を作ろうとしても、電源ノイズなどの影響により磁場強度が１０−４オーダーの変動幅（図８安定外領域８ａ内の実線及び点線間の両矢印）で変動する。【００１５】
さらに、荷電粒子ビームの取り出し条件は、荷電粒子ビーム内の荷電粒子のエネルギー誤差（運動量偏差）がある値以上であること、即ち、荷電粒子ビームは水平方向において、設計軌道から離れて周回していること、また磁場強度によって定まる共鳴周波数の小数部が１／３に達することを条件としていた。【００１６】
従って、従来の荷電粒子ビームの取り出し方法では、（１）荷電粒子ビームのエネルギーを一定にして、即ち荷電粒子ビームを加速せず、６極電磁石の磁場強度を変化させる方法、
（２）６極電磁石の磁場強度を一定にして荷電粒子ビームを加速させる方法、（３）６極電磁石の磁場強度及び荷電粒子ビームのエネルギーを一定にして、水平方向の共鳴周波数で水平方向にさらに振動させる方法の何れかが用いられてきた。【００１７】
しかし、前段落（１）、（２）の取り出し方法では、常に荷電粒子ビームが「共鳴条件」ぎりぎりに存在し、ノイズによる磁場の変動に伴い水平方向のベータトロン周波数も変動するため、磁場強度によって定まる共鳴周波数の小数部が１／３に達することの条件に合致する瞬間と合致しない瞬間がノイズによって定まっていた。ノイズは制御可能因子ではないため、前段落（１）、（２）の方法では時間的変動の激しいビーム強度しか得られなかった。【００１８】
他方、前々段落（３）の方法においては、荷電粒子ビーム強度をある程度一定にすることは可能であったが、水平方向の共鳴周波数を変更するため高周波電圧を印加した後、荷電粒子ビームの振動が増大するのに時間を要していた（特許文献１）。【００１９】
図８に示すように、従来荷電粒子ビームの取り出し方法では、荷電粒子ビーム全体を高周波加速空洞とは別の低い高周波電圧で加速するため、常に荷電粒子ビームの一部が共鳴条件（安定外領域８ａ）と接しており、かつ共鳴条件も上述のように変動している。さらに、荷電粒子ビームを共鳴条件（安定外領域８ａ）から外し設計軌道に戻すために多数の周回回数を必要としていた。【００２０】
このように、ノイズにより取り出されてしまう従来の荷電粒子の共鳴条件の変動に基づく荷電粒子ビームの取り出し方法では、取り出し条件、即ち取り出される荷電粒子ビームのビーム強度を時間的に一定に制御することはできなかった。【００２１】
図９は、従来の円形加速器における位相空間での荷電粒子の分布である。横軸ｘは、水平方向で、０が設計軌道、（＋）方向が設計軌道の外側、（−）方向が設計軌道の内側である。縦軸ｘ‘は水平方向の運動量に相当する軌道勾配ｘ’＝ｄｘ／ｄｓであり、ｄｘが設計軌道を原点とする実荷電粒子ビームの横方向位置、ｄｓが進行方向の位置である。【００２２】
荷電粒子ビームを構成する荷電粒子群はベータトロン振動をしながら周回しており、荷電粒子ビームがシンクロトロンを周回し続ける安定状態を継続してプロットすると、個々の荷電粒子はこの位相空間上に閉じた軌道（閉軌道）を描く。【００２３】
ここで、シンクロトロンを周回する荷電粒子ビームは外力のない状態ではイオンが持つ電荷による斥力のためＸおよびＹ方向のビームサイズが広がる。このため真空ダクト中を安定して周回できるよう４極電磁石によってビーム収束力を発生させている。【００２４】
このとき荷電粒子ビームは斥力と収束力の関係からばね運動と同じ方程式で記述される振動運動をしながらシンクロトロン内を周回する。機械構造物に共振周波数が存在するのと同様の原理により、荷電粒子ビームにも特定の振動数を与えるとその振動振幅が時間とともに増大する共振周波数が存在する。【００２５】
荷電粒子ビームの１周回中における横方向振動数をチューンと呼び、ビームにおける共振条件は、チューンの小数部が１／２、１／３、・・・１／ｎの分数になった場合に生じることが分かっている。【００２６】
荷電粒子ビームを構成する荷電粒子はそれぞれ運動量と位置が少しずつ異なっており、共振の振幅を調節すると、荷電粒子ビーム中で周回方向のタイミング関係には影響を与えないが、共振条件を満たす荷電粒子のみその横方向振幅が増大し、取り出し軌道に達する。共振の振幅を調節するためには、４極電磁石や６極電磁石の電流を調節し、上記共振条件を発生させることによって達成される。【００２７】
このとき、３次共鳴を用いて荷電粒子ビーム取出しを行う場合、荷電粒子ビームが安定して周回できる領域（安定領域）と振幅が増大する領域（不安定領域）は、荷電粒子ビームの位置と運動量によって振動周波数が異なることから、図９に示されるような３角形の領域によって分割される。３角形の内側が安定領域、外側が不安定領域である。チューンの小数部が１／３または２／３よりわずかに大きい状態で周回しているとき、荷電粒子ビームに与える磁場を一定に保ったまま荷電粒子ビームのエネルギーを増大させると、チューンは減少するため、図中の不安定領域が減少する。【００２８】
従って、３次共鳴に近い状態では、荷電粒子ビームがシンクロトロンを３周するとこの位相空間のほぼ同じ座標に戻るように運動するため、安定領域は３角形に近い形状となる。荷電粒子ビームを構成する個々の荷電粒子は異なるΔｐ／ｐを持つ。【００２９】
ベータトロン振動数はシンクロトロンを構成する偏向電磁石および収束電磁石の強度によって定まり、安定領域の大きさは６極磁石によって定まる。すなわち、ある荷電粒子が閉軌道を描くかどうかは、Δｐ／ｐが６極磁石で定まるある値以下であるかどうかで定まる。Δｐ／ｐと６極磁石強度をある値と仮定した場合における安定領域の限界が図９で定まる三角形の内側である。【００３０】
なお、個々の荷電粒子が持つΔｐ／ｐが異なるため、Δｐ／ｐが増大すると安定領域は小さくなり、ある閾値値以上のΔｐ／ｐを持つ荷電粒子では、安定領域の大きさは０となる。すなわち、６極磁石の磁場を一定にした状態であっても、Δｐ／ｐがある値以上になればその荷電粒子は必ず取り出される。言い換えれば、安定領域の大きさは、個々の荷電粒子が持つΔｐ／ｐによって異なる。【００３１】
図９において、点線で示した境界８ｄで囲まれた三角形（大）の内側が加速中の荷電粒子６ｄ（黒ドット）の安定領域８ｂである。荷電粒子ビームの取り出しに際して、荷電粒子ビーム全体を高周波電圧６ｅで加速させると、荷電粒子６ｃは運動量を増し、安定領域は境界８ｆで囲まれた斜線で示した安定領域８ｃ（Δｐ／ｐ＝０．００３）に変化する。安定領域８ｃは、Δｐ／ｐの増加に伴って小さくなる。ここでは、便宜的にΔｐ／ｐ＝０．００２を加速前の荷電粒子がもつ運動量偏差、Δｐ／ｐ＝０．００３を加速後の荷電粒子がもつ運動量偏差とする。【００３２】
前述の説明より、Δｐ／ｐの小さい荷電粒子６ｄにとっては安定領域８ｂ内で閉軌道を描くため取り出されない。一方、安定外領域８ａに位置する荷電粒子６ｄは、一点鎖線で示したように横方向の振動が次第に増大するため、軌道が外側へと膨らむ。シンクロトロン周回軌道上のある箇所には、横方向のある位置以上の領域だけに電場を生じさせ、その領域に飛び込んだ荷電粒子の軌道を横方向に大きく偏向させる出射デフレクタが設置されている。【００３３】
なお、電場を生じさせる領域（取り出し領域８ｅ）は出射デフレクタの設計時に定められる。安定外領域８ａに位置する荷電粒子６ｄは取り出し領域８ｅに入り、出射ライン４に取り出される。他方、安定領域８ｃ内の荷電粒子６ｃは、シンクロトロン中を周回し続け、Δｐ／ｐを高周波電圧６ｅでさらに増加させることで取り出されることになる。【００３４】
特許文献１の荷電粒子ビームの取り出し方法を実現する高周波加速空洞を用いた加速器を図１０に特許文献１と名称、符号、その他一部変更して示した。【００３５】
図１０に示すように、従来の加速器１ａは、入射ライン３と、シンクロトロン２ｎと、出射ライン４と、ビーム利用ライン５からなる。【００３６】
入射ライン３は、イオン源で発生させた荷電粒子を所定速度まで加速させる前段加速器３ａと、荷電粒子を輸送管３ｃを介してシンクロトロン２ｎ内に入射させる入射器３ｂなどから構成される。【００３７】
シンクロトロン２ｎは、入射された荷電粒子ビーム６を加速し、加速した荷電粒子ビームを３次共鳴を利用して出射ライン４に出射する円形加速器である。シンクロトロン２ｎは、荷電粒子ビーム６を真空ダクト内部の設計軌道２ａに保つ偏向電磁石２ｉと、収束力又は発散力を持つ四極電磁石である収束電磁石２ｊ又は発散電磁石２ｋと、高周波電圧２ｃで荷電粒子ビーム６の閉じ込めと加速をする高周波加速空胴２ｂと、荷電粒子ビーム６の取り出しに際して荷電粒子ビーム６を加速する高周波電圧６ｅを印可する高周波加速空洞２ｂと異なる高周波電圧印可装置２ｍ及び共鳴励起用の多極電磁石である６極電磁石８などから構成される。荷電粒子ビーム６は、設計軌道２ａの周囲をベータトロン振動しながら周回する。【００３８】
出射ライン４は、出射用デフレクタ等の出射器４ａと輸送管４ｂなどから構成されている。ビーム利用ライン５は、実験室、医療現場である。座標系は荷電粒子ビーム６の周回方向をｓ、水平方向をｘ（外側を＋、内側を−とする）、垂直方向をｙとする。【００３９】
他方、誘導加速セルを用いた荷電粒子ビームの加速方法として特許文献２〜６の技術が開示されている。特許文献２は、閉じ込め用と加速用の２種の誘導加速セルから荷電粒子ビームに印加される誘導電圧によって、あらゆる種類のイオンの閉じ込めと加速を可能にする加速方法を提供するものである。また、イオン源による取り出しエネルギーがシンクロトロンで周回可能な最低エネルギー以上であれば、前段加速器を不要にできる特長を持つ。【００４０】
特許文献３〜６では、それぞれ誘導加速セルから印加される誘導電圧の発生タイミングを制御する方法、誘導電圧の発生タイミングを制御し荷電粒子ビームの周回軌道を制御する方法、誘導電圧を荷電粒子ビームに印加してシンクロトロン振動周波数を制御する方法を提供するものである。【００４１】
特許文献６は、一組の誘導加速装置から印加される同一の矩形の正の誘導電圧及び同一の矩形の負の誘導電圧からなる誘導電圧の発生タイミングを制御し、荷電粒子ビームを加速する方法を提供するものである。【００４２】
しかしながら、誘導加速セルから発生される誘導加速電圧（パルス電圧）を利用し、加速された荷電粒子ビームを取り出す方法についての検討はされていない。【００４３】
ここで、粒子線治療において、投与線量は荷電粒子ビーム電流の時間積分に比例する量である。荷電粒子ビームの照射野は、放射線照射を意図する３次元的空間領域である。必要な投与線量が不正確または目的とする照射野内で不均一である場合、或いは投与線量が過剰の場合には重篤な副作用を生じる確率が増大する。他方投与線量が不足した場合には照射部位からの腫瘍再発を生じる確率が増大する。【００４４】
すなわち、粒子線治療においては、意図する投与線量を過不足なく正確かつ均一に照射することが求められるため、短時間に高線量を投与するためには、荷電粒子ビーム強度を時間的に制御できることが極めて重要である。【００４５】
シンクロトロンから取り出された荷電粒子ビームのサイズは数センチメートルの直径であるため、大きな照射面積を必要とする粒子線治療装置では、荷電粒子ビームは、取り出しビームライン５に設置されたワブラー電磁石とよばれる回転磁場によって偏向させ、照射面積を拡大してターゲットに照射する。【００４６】
本方式はワブラー照射法と呼ばれている。回転磁場の回転周波数は１００Ｈｚ以下であるため、ビーム強度が時間的に安定しない荷電粒子ビームの取り出し方法を採用する場合、治療照射では荷電粒子ビームを回転磁場の開始点を変化させながら何度も繰り返して照射することで、照射野内の投与線量を均一化する必要があった。従って、荷電粒子ビーム照射治療において、ビーム強度が時間的に安定しないことが根本的な原因となって治療時間が増大し、患者にとって極めて大きな負担となっていた。【００４７】
また、他の荷電粒子ビームの照射法として、ブラウン管テレビの電子線走査と同様に荷電粒子ビームを２次元面で走査し、必要な照射線量を必要な照射箇所に供給するスポットスキャニング照射法と呼ばれている手法が採用されている。【００４８】
スポットスキャニング照射法によって局所的な線量変化を実現する場合には、荷電粒子ビーム自体によって局所的な線量が決まってしまう。そのため、ビーム強度が時間的に安定しない場合には平均ビーム強度を減少させ、長時間の照射をして照射線量を調節することになり、患者に対してさらに大きな負担となる。【００４９】
一般に粒子線治療においては照射位置精度を高めるために剛性の高い固定具を用いて患者を治療台に固定するため、全身状態の不良な場合が多い治療患者にとって、治療時間の増大は著しい苦痛となるばかりでなく、治療照射の可否までも左右する問題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５０】
【特許文献１】特開平０９−３５８９９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１００１３号公報
【特許文献３】特開２００７−０１８７５６号公報
【特許文献４】特開２００７−０１８８４９号公報
【特許文献５】特開２００７−０１８７５７号公報
【特許文献６】特開２００７−１６５２２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００５１】
そこで、本願発明は、パルス電圧を用いて、高速且つ安定的に荷電粒子ビームを取り出し、さらに取り出された荷電粒子ビームの強度を均一にし、高精度な照射線量の制御を可能にする荷電粒子ビームの取り出し方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００５２】
本願発明は、上記課題を解決するために、荷電粒子ビームを加速する円形加速器において、加速された荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加し、荷電粒子ビームの一部のみに運動量偏差を発生させ、荷電粒子ビームの進行方向に対する水平方向の位相空間内において、運動量偏差が大きい一部の荷電粒子を安定外領域かつ取り出し領域に位置させ、前記安定外領域かつ取り出し領域に位置した荷電粒子群を選択的に水平方向に大きく偏向させて取り出すことを特徴とする荷電粒子ビームの取り出し方法の構成とした。【００５３】
また、前記荷電粒子ビームの取り出しラインにビームモニタを設け、前記ビームモニタからのビーム強度シグナルを基に、前記荷電粒子ビームに対する前記パルス電圧の印加回数を決定するフィードバック制御を備えることを特徴とする前記荷電粒子ビームの取り出し方法とした。さらに、前記パルス電圧が、荷電粒子ビームの進行方向に対して正又は負の電圧であることを特徴とする前記何れかに記載の荷電粒子ビームの取り出し方法の構成とした。加えて、前記パルス電圧の電圧値又は印可時間を調節し、取り出される荷電粒子ビームのビーム強度を調節することを特徴とする前記何れかに記載の荷電粒子ビームの取り出し方法の構成とした。【００５４】
また、荷電粒子の入射装置と、高周波加速空洞により荷電粒子を加速するシンクロトロンと、荷電粒子の出射装置と、荷電粒子ビーム利用ラインとからなる加速器であって、さらに荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加するパルス電圧発生装置を荷電粒子ビームの周回設計軌道上に備え、加速された荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印加し、荷電粒子ビームの一部のみに運動量偏差を発生させ、荷電粒子ビームの進行方向に対する水平方向の位相空間内において、運動量偏差が大きい一部の荷電粒子を安定外領域かつ取り出し領域に位置させ、前記安定外領域かつ取り出し領域に位置した荷電粒子群を選択的に水平方向に大きく偏向させる出射装置により、前記荷電粒子ビーム利用ラインに取り出すことを特徴とする加速器の構成とした。【００５５】
さらに、前記荷電粒子利用ラインへの荷電粒子ビームの取り出しライン中に、ビームモニタを設け、前記ビームモニタのビーム強度シグナルを基に、前記荷電粒子ビームに対する前記パルス電圧の印加回数を決定するフィードバック制御手段を備えることを特徴とする前記加速器の構成とし、また前記パルス電圧発生装置が、前記設計軌道上に備えられた荷電粒子ビームの通過を感知するバンチモニタからの通過シグナル及び前記設計軌道上に備えられた荷電粒子ビームの重心位置を感知する位置モニタからの位置シグナルを基に、誘導加速セルから荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印可することを特徴とする前記何れかに記載の加速器の構成とした。
【発明の効果】
【００５６】
本願発明は、上記構成により以下の効果を発揮する。先ず第１に、荷電粒子ビームの一部にパルス電圧を印可することで、荷電粒子ビームの一部のみを高速かつ安定的に取り出し状態に加速制御することができ、従来の荷電粒子ビームの取り出し方法と比較して取り出し時間を約１／１０に短縮することができる。従って、本願発明を医療用の加速器に採用すると照射時間を大幅に短縮でき、患者の負担を著しく軽減できる。【００５７】
また、取り出したビーム強度をモニタし、パルス電圧のパターンに対しフィードバックする制御法を採用することで、取り出される荷電粒子ビーム強度を均一にすることができる。従って、本願発明を医療用の加速器に採用すると、照射部位に対して極めて高精度で瞬間的な荷電粒子ビーム強度並びに照射線量の制御が可能になり、治療に必要な投与線量を正確に照射することで、意図した治療効果を確実に得ると同時に予期せぬ不要な副作用の発現を著しく軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本願発明の加速器の概略図である。
【図２】パルス電圧発生装置の一例の模式図である。
【図３】真空ダクトに連結している誘導加速セルの断面模式図である。
【図４】本願発明の荷電粒子ビームの取り出し方法の原理模式図であり、荷電粒子ビームの進行方向の運動量偏差を時間（ｔ）を基準に表した。
【図５】パルス電圧を荷電粒子ビームに印加したときの位相空間での荷電粒子の分布である。
【図６】荷電粒子ビームの取り出しを行わない場合（Ａ）と本願発明（Ｂ）の荷電粒子ビームの取り出し方法のシミュレーション結果の比較である。
【図７】本願発明（破線）と従来（実線）の荷電粒子ビームの取り出し方法による荷電粒子ビーム強度の比較結果（シミュレーション）である。
【図８】従来の荷電粒子ビームの取り出し方法の原理模式図であり、荷電粒子ビームの進行方向の運動量偏差を時間（ｔ）を基準に表した。
【図９】従来の円形加速器における位相空間での荷電粒子の分布である。
【図１０】従来の円形加速器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、本願発明である荷電粒子ビームの取り出し方法について説明する。図１は、本願発明の加速器の概略図である。
【００６０】
本願発明の荷電粒子ビーム６を取り出す方法に用いられる加速器１は、入射ライン３と、シンクロトロン２と、出射ライン４と、ビーム利用ライン５と、荷電粒子ビーム６の取り出しを制御するビーム取出制御機構１０からなる。
【００６１】
入射装置３、シンクロトロン２、出射装置４、ビーム利用ライン５は、従来からの技術を使用できる。図１０と同一の名称、符号は作用、機能が同一であり、説明を省略する。ビーム取出制御機構１０は、パルス電圧発生装置７とビームモニタ９とからなる。なお、シンクロトロン２においては、パルス電圧発生装置７が図１０の高周波電圧印可装置２ｍに代替する。
【００６２】
パルス電圧発生装置７は、荷電粒子ビーム６の加速、減速を可能とするパルス電圧７ａであればどのようなパルス電圧７ａを発生させるどのような装置であっても構わない。またパルス電圧の形状も矩形に限定されない。パルス電圧７ａの発生制御方法、パルス電圧発生装置７の構成の一例を図２に示す。
【００６３】
図２では、荷電粒子ビーム６の加速に同期し、荷電粒子ビーム６の一部に誘導電圧としてのパルス電圧７ａを印可するパルス電圧発生装置７の構成の一例を説明する。
【００６４】
パルス電圧発生装置７は、誘導電圧であるパルス電圧７ａを発生させる誘導加速セル７ｄと、パルス電圧７ａの発生を制御する制御装置７ｅとからなる。基本的構成は、特許文献６と同様で、誘導電圧としてのパルス電圧７ａを荷電粒子ビーム６の一部に印可できればよい。
【００６５】
誘導加速セル７ｄは、図３に示すように、特許文献２〜６に用いた加速用、閉込用の誘導電圧を発生させる誘導加速セルと同一でよい。荷電粒子ビーム６の一部にパルス電圧７ａを印可し、共鳴振動を荷電粒子ビーム６の一部に発生させ、３次共鳴により出射デフレクタなどにより出射ライン４に取り出す。なお、共鳴次数は３次に限定されず、たとえば２次であってもよい。また、出射デフレクタによらず、パルス電圧の印可を制御すること、即ち周回軌道上から磁場影響を受けない領域にパルス電圧で移動させることで、パルス電圧のみによっても荷電粒子ビームを直線的に出射ラインに取り出すことも可能である。
【００６６】
図３は、真空ダクトに連結している誘導加速セルの断面模式図である。ここで、誘導加速セル７ｄとは、これまで作られてきた線形誘導加速器用の誘導加速セルと原理的には同じ構造である。
【００６７】
誘導加速セル７ｄは、内筒７ｐ及び外筒７ｑからなる２重構造で、外筒７ｑの内に磁性体７ｒが挿入されてインダクタンスを作る。荷電粒子ビーム６が周回する真空ダクト２ｐと接続された内筒７ｐの一部がセラミックなどの絶縁体７ｓでできている。
【００６８】
磁性体７ｒを取り囲む１次側の電気回路にスイッチング電源７ｈに接続されたＤＣ充電器７ｉからパルス電圧７ｔを印加すると、１次側導体には１次電流７ｕが流れる。この１次電流７ｕは１次側導体の周りに磁束を発生させ、１次側導体に囲まれた磁性体７ｒが励磁される。
【００６９】
これによりトロイダル形状の磁性体７ｒを貫く磁束密度が時間的に増加する。このとき絶縁体７ｓを挟んで、導体の内筒７ｐの両端部７ｖである２次側の絶縁部にファラデーの誘導法則にしたがって誘導電場が発生する。この誘導電場が電場７ｗとなる。この電場７ｗが生じる部分を加速ギャップ７ｘという。従って、誘導加速セル６は本例では１対１のトランスである。
【００７０】
誘導加速セル７ｄの１次側の電気回路にパルス電圧７ｔを発生させるスイッチング電源７ｈを接続し、スイッチング電源７ｈを外部からオン及びオフすることで、加速電場の発生を自由に制御することができる。従って、誘導加速セル７ｄは、１次側電気回路にスイッチング電源７ｈからパルス電圧７ｔを受けて、２次側絶縁部に誘導され、荷電粒子ビーム６に印加される誘導電圧７ａを生成する。
【００７１】
また、図２を参照し、パルス電圧発生装置７の制御装置７ｅについて説明する。制御装置７ｅは、位置モニタ２ｅとバンチモニタ２ｄとデジタル信号装置７ｎとパターン生成器７ｋとスイッチング電源７ｈとＤＣ充電器７ｉと電送線７ｇと誘導電圧モニタ７ｆ等からなり、誘導加速セル７ｄで発生するパルス電圧７ａの発生タイミングを荷電粒子ビーム６の一部に印可されるように制御する装置である。詳しくは特許文献６に説明されている。
【００７２】
位置モニタ２ｅは、真空ダクト２ｐの中に設けられ荷電粒子ビーム６の重心位置を感知するモニタで、荷電粒子ビーム６が設計軌道２ａからどれだけ水平方向の内側、または外側にズレているかを検出する。
【００７３】
また、位置モニタ２ｅは、荷電粒子ビーム６の設計軌道２ａに対するズレに比例した電圧値を出力する装置であり、例えば、進行方向ｓに対して斜めのスリットを持つ２枚の導体によって構成されており、荷電粒子ビーム６の通過に伴い導体表面に電荷が誘起される。
【００７４】
誘起される電荷の量は荷電粒子ビーム６と導体間の位置に依存するため、２枚の導体に誘起されるそれぞれの電荷の量は荷電粒子ビーム６の位置に依存して異なり、結果として２枚の導体に誘起される電圧値に差が生じることを利用する。検出された荷電粒子ビームの水平方向の位置情報である位置シグナル２ｇは、デジタル信号装置７ｎに入力され、パルス電圧７ａの発生制御に使用される。主に位置シグナル２ｇは、取り出し状態に好適な水平方向の軌道のズレの制御に利用する。
【００７５】
バンチモニタ２ｄは、真空ダクト２ｐの中に設けられ荷電粒子ビーム６の通過を感知するモニタで、荷電粒子ビームが通過した瞬間にあわせてパルスである通過シグナル２ｆを発生する。検出された荷電粒子ビームの通過情報である通過シグナル２ｆは、デジタル信号装置７ｎに入力され、パルス電圧７ａの発生制御に使用される。主に通過シグナル２ｆは、パルス電圧７ａの発生を荷電粒子ビーム６の通過に同期させる制御に用いる。
【００７６】
スイッチング電源７ｈは、誘導加速セル７ｄに伝送線７ｇを介してパルス電圧７ｔを与え、高繰り返し動作可能である。スイッチング電源５ｂは、一般に複数の電流路を持ち、その各枝路を通過する電流を調整し、電流の方向を制御することで負荷（ここでは誘導加速セル７ｄ）に正と負の電圧を発生させる。ＤＣ充電器７ｉは、スイッチング電源７ｈに電力を供給する。スイッチング電源７ｈのオン及びオフ動作をパターン生成器７ｋ、デジタル信号処理装置７ｎで制御する。誘導電圧モニタ７ｆは、前記誘導加速セル６より印加された誘導電圧値を測定するモニタである。
【００７７】
なお、パルス電圧７ａは、荷電粒子ビームの一部を進行方向ｓに加速するための正のパルス電圧と、誘導加速セルの磁気的飽和を回避するとともに進行方向と逆向きに作用する負のパルス電圧からなり、何れのパルス電圧も荷電粒子ビームに印可する場合がある。
【００７８】
パターン生成器７ｋは、スイッチング電源７ｈのオン及びオフ動作を制御するゲート信号パターン７ｊを生成する。即ち、ゲート親信号７ｍを基にスイッチング電源７ｈの電流路のオン及びオフの組み合わせへと変換する装置である。デジタル信号処理装置７ｎは、パターン生成器７ｋによるゲート信号パターン７ｊの生成のもと信号であるゲート親信号７ｍを計算する。
【００７９】
ゲート信号パターン７ｊとは、誘導加速セル７ｄより印加されるパルス電圧７ａを制御するパターンである。パルス電圧７ａを印加する際に、その印加時間と発生タイミングを決定する信号及び正のパルス電圧及び負のパルス電圧との間の休止時間を決定するための信号である。従って、ゲート信号パターン７ｊによって加速する荷電粒子ビームの長さ合わせてパルス電圧７ａの印可タイミング、印可時間の調節が可能である。
【００８０】
ビームモニタ９は、取り出された荷電粒子ビーム６の輸送経路に設けられ、荷電粒子ビーム６がビームモニタ９を通過した瞬間の荷電粒子ビーム６の電流強度を測定及び監視するモニタである。
【００８１】
ビームモニタ９は、荷電粒子ビーム６が１次側コイル、検出器側が２次側コイルで表わされる一般的な電流トランスと等価な原理で構成され、荷電粒子ビーム自体を電流として、２次側コイルを巻き付けた磁性体内を通過させ、２次側コイルに誘導される電圧または電流を測定することで瞬間的な荷電粒子ビームの電流値を荷電粒子ビームを破壊せずに測定する。
【００８２】
ビームモニタ９により得られた荷電粒子ビーム強度［Ａ］は、アナログ／デジタル変換器により数値情報に変換される。このデジタル数値情報がビーム強度シグナル９ａとしてパルス電圧発生装置７に送られ、シンクロトロン２内での次回ビーム周回以降における荷電粒子ビーム６の取り出し制御（「フィードバック制御９ｂ」という。）に利用される。
【００８３】
以下、フィードバック制御９ｂについて詳しく説明する。ビーム強度シグナル９ａは、パルス電圧発生装置７のデジタル信号装置７ｎに入力される。デジタル信号装置７ｎにはある瞬間において取り出すべき荷電粒子ビーム電流強度の情報が記憶されており、ビーム強度シグナル９ｂと比較される。
【００８４】
なお、この取り出すべき荷電粒子ビーム強度電流の情報は、あらかじめデータとして与えられる方法に限定されず、一例として関数などを用いたリアルタイム演算により与えてもよい。ビーム強度シグナル９ｂの値が記憶されたビーム強度に対して大きい場合、ビーム強度が過剰であるため、取り出しビーム強度を減少するようにパルス電圧７ａを制御する。
【００８５】
具体的には、荷電粒子ビームの進行方向において正のパルスが印加されている局所に対し負のパルス電圧を印加するか、正のパルス電圧の時間幅を減少させる。この場合では荷電粒子はΔｐ／ｐが小さくなると安定領域が増大するため、荷電粒子ビームの取り出し強度を減少または停止することができる。
【００８６】
一方、ビーム強度シグナル９ｂの値が記憶されたビーム強度に対して小さい場合、ビーム強度が不足であるため取り出しビーム強度を増加させるようにパルス電圧を制御する。具体的には、荷電粒子ビームの進行方向において正のパルスが印加されている局所に対して、周回毎のパルス電圧印加割合を増加させるか、パルス電圧の時間幅を増大させることで、取り出しに寄与するビーム電流を増大させる。  
【００８７】
図４は、パルス電圧発生装置の一例の模式図である。本願発明の荷電粒子ビームの取り出し方法の原理模式図であり、荷電粒子ビーム６の進行方向の運動量偏差（Δｐ／ｐ）を、基準粒子の周回時間を基準とする時間（ｔ）に対する分布として表した。記号の意味は、図８と同じである。
【００８８】
図４に示すように、高周波加速空洞２ｂからの波線（鎖線）で示した高周波電圧２ｃで加速された荷電粒子ビーム６の一部に一点鎖線で示したパルス電圧（正のパルス電圧７ｂ）を印可することで、荷電粒子ビーム６の一部（点線部分）の荷電粒子群６ａが加速（上向き矢印）される。
【００８９】
そして運動量偏差（Δｐ／ｐ）が増加し、加速された荷電粒子群６ａの一部（荷電粒子群６ｂ）が安定外領域８ａに位置し何れ出射ライン４に取り出される。なお負のパルス電圧７ｃは、磁気的飽和を解消することのみならず、必要に応じて荷電粒子ビーム６に印可し荷電粒子ビーム６の減速に使用することもできる。
【００９０】
パルス電圧７ａを印可して、荷電粒子ビーム６の一部（荷電粒子群６ａ）のみの運動量偏差（Δｐ／ｐ）を増加させる本願発明では、パルス電圧７ａを受けない荷電粒子ビーム６は安定外領域から距離があり、またノイズに起因する不必要な荷電粒子ビーム６の取り出し現象が発生しない。従って、取り出される荷電粒子ビーム６のビーム強度をパルス電圧７ａを用いて意図的に調節することができる。
【００９１】
また、荷電粒子ビームの取り出しを停止する場合においても、低い高周波電圧６ｅを用いて荷電粒子ビーム全体を取り出し前の状態に復帰させる必要がなく、局所的にパルス電圧７ａを印加することで停止できるため、従来技術と比較して次回の荷電粒子ビーム６の取り出しを高速に行うことができる。
【００９２】
図５は、パルス電圧を荷電粒子ビームに印加したときの位相空間での荷電粒子の分布である。記号の意味は、図８と同じである。
【００９３】
図５に示されるように水平方向ｘの安定条件は、荷電粒子ビーム６の水平方向ｘの位置と及び荷電粒子個々の水平方向勾配（ｘ‘＝ｄｘ／ｄｓ）で決定される。パルス電圧７ａを印可する前の荷電粒子ビーム６の安定領域８ｂ（Δｐ／ｐ＝０．００２）は、境界８ｄで囲まれた三角形（大）である。
【００９４】
荷電粒子ビーム６の取り出しに際して、荷電粒子ビーム６の一部にパルス電圧７ａを印可すると、一部の荷電粒子６ｄ（黒ドット）群が加速され、それらの安定領域８ｃ（Δｐ／ｐ＝０．００３）は斜線８ｆによって狭められた三角形（小）内となる。一方、パルス電圧７ａを受けない荷電粒子６ｃ（白丸）群は、依然三角形（大）が安定領域８ｂのままとなる。
【００９５】
即ち、安定領域８ｂから安定領域８ｃを除いた部分が荷電粒子ビーム６の一部にパルス電圧７ａを受けた荷電粒子の安定外領域８ａとなる。従って、安定外領域８ａに位置する黒ドットの荷電粒子６ｄのみが何れ取り出し領域８ｅに位置し、出射ライン４に取り出される。
【００９６】
また、本願発明では荷電粒子の一部のみ加速させるため、パルス電圧７ａの印可を受けない荷電粒子群は安定領域（共鳴条件）の十分内側に位置するため、ノイズの影響を受けることなく、極めて一定なビーム強度で取り出すことができる。
【００９７】
加えて、誘導電圧７ａの電圧値及びパルス長を変化させることで、取り出されるビーム強度の調節が可能となる。また、ビームモニタ９の検出値を基にパルス電圧の発生回数、欠損、電圧値、パルス長を変更するフィードバック制御９ｂをすることで、高精度なビーム強度制御が可能となる。
【実施例１】
【００９８】
図６は、荷電粒子ビームの取り出しを行わない場合（Ａ）と本願発明（Ｂ）の荷電粒子ビームの取り出し方法のシミュレーション結果の比較である。【００９９】
シミュレーションは、実際に設計ならびに製作されている粒子線治療装置に用いられるシンクロトロンをモデルとし、シンクロトロン周長、偏向磁場強度、収束磁場強度、６極磁場強度ならびに出射デフレクタの取り出し位置を現実に製作され、通常運転で用いられるパラメータ設定で入力した。【０１００】
このシミュレーションにより、１０００個の荷電粒子、１０００周回(実時間にして０．３ｍｓｅｃ相当)を模擬した。なお、当該シミュレーションは、基本的なビーム物理の検証において、実績のある既存のビーム物理コードならびに製作されたシンクロトロンの設計検討とも相互に比較検証を行い、荷電粒子ビームの取り出しにおける位相空間での荷電粒子の挙動を同等に再現することを確認している。【０１０１】
図６（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ、左図は進行方向ｓの荷電粒子の位相空間分布であり、右図は荷電粒子の水平方向ｘの位相空間分布である。（Ｂ）においては、荷電粒子の２０％に対して、正のパルス電圧７ｂを印可した。【０１０２】
分布は１０００周回での荷電粒子の位相空間位置をすべて重ねてプロットしたもので、右図では荷電粒子は三角形の安定領域を左回りに回転するように安定領域内で閉軌道運動をしている。【０１０３】
その結果、荷電粒子ビームの取り出しを行わない場合（Ａ）では殆ど取り出し領域８ｅに荷電粒子は存在しないことを確認し、本願発明（Ｂ）では、荷電粒子ビームの一部（２０％）にパルス電圧７ａを印加（（Ｂ）の左図）したところ、取り出し領域８ｅに多数のドット（荷電粒子）が確認できた（（Ｂ）の右図）。【０１０４】
荷電粒子ビームの取り出しを行わない場合（Ａ）と本願発明（Ｂ）の荷電粒子ビームの取り出し方法において、パルス電圧を局所的に印加する以外の物理的パラメータは同一である。すなわち、荷電粒子ビームの取り出しに寄与する因子としてパルス電圧のみが寄与していることがわかる。また、荷電粒子ビームが安定領域内に保たれており、ノイズ等による意図しない取り出しが行われていないことがわかる。【０１０５】
図６（Ｂ）左図で加速された（運動量偏差Δｐ／ｐが大きくなった）荷電粒子の振る舞いが右図の水平方向（ｘ）の位相空間で変化し、安定領域８ｃから安定外領域８ａに入ることで、水平方向ｘでの取り出し領域８ｅ（ｘ＞６７ｍｍ）の荷電粒子の増加として現れる。【０１０６】
従って、異なる運動量偏差Δｐ／ｐの荷電粒子ビームの一部の荷電粒子に対し、パルス電圧７ａを印加することで水平方向（ｘ）の粒子はΔｐ／ｐごとに異なった軌道を描き、パルス電圧７ａを印加した荷電粒子のみが取り出されていることがわかる。
【実施例２】
【０１０７】
図７は、本願発明（破線）と従来（実線）の荷電粒子ビームの取り出し方法による荷電粒子ビーム強度）の比較結果（シミュレーション）である。シミュレーションは、１０００個の荷電粒子を１０００周回させた後に、特許文献１を想定した取り出し方法（従来の取り出し方法）と本願発明のパルス電圧７ａを荷電粒子ビーム６に印可した取り出し方法を想定したときのビームモニタ９での想定される測定値である。縦軸がビーム強度［Ａ］、横軸が時間（秒）であり、１．５秒はシンクロトロンにおける荷電粒子ビームの取り出しの時間である。【０１０８】
図７に示されるように、従来の荷電粒子ビームの取り出し方法では、取り出された荷電粒子ビームのビーム強度は、時間的変動が激しくなることが避けられない。【０１０９】
従来の荷電粒子ビームの取り出し方法では上述したように、荷電粒子ビームの水平方向の外縁が常に共鳴線（境界線）に接しており、ノイズによるビーム強度の変動がトリガーとなって荷電粒子ビームの取り出し／停止現象が生じる。【０１１０】
前述のように従来からの荷電粒子ビームの取り出し方法においては、荷電粒子ビーム全体を加速して取り出す場合、荷電粒子ビームの横方向における安定領域の減少割合が時間的に一定にならず、また前述の通りノイズによる制御不能な荷電粒子ビームの取り出しが生じるため、取り出された荷電粒子ビームのビーム強度を一定にすることができなかった。【０１１１】
また、横方向に荷電粒子ビームを共振させて荷電粒子ビームを取り出す場合においても、横方向の荷電粒子ビーム分布に偏りがあるため、ビーム強度を時間的に安定させるためには共振振幅を制御する必要があり、かつ取り出される荷電粒子ビームの分布を意図的に調節することは不可能であった。【０１１２】
一方、本願発明では取り出された荷電粒子ビームのビーム強度は一定であることが分かる前述のシミュレーションでは１０００周回、０．３ｍｓｅｃで該当箇所の荷電粒子ビームの取り出しが行えることを明らかにした。荷電粒子ビームの一部へのパルス電圧の印可は、１ｍｓｅｃよりも十分早い時間に達成することができるため、１ｍｓｅｃ以下においてもビーム強度を意図的に一定に高速かつ高精度に荷電粒子ビームの取り出し制御することができることとなる。
【０１１３】
本願発明の取り出し方法では、荷電粒子ビーム中の一部（取り出したい荷電粒子群）に対して、加速電圧（場合によっては減速電圧）がかかるようなパルス電圧を印加するため、取り出したい荷電粒子群のみで、荷電粒子ビームの内荷電粒子のエネルギー誤差がある値以上の条件（共鳴条件）が満される。【０１１４】
即ち、本願発明では、荷電粒子ビーム全体の進行方向の運動量偏差（Δｐ／ｐ）を小さくし、安定領域をノイズによる荷電粒子ビームの取り出しを受けない大きさに保つことで、ノイズによる荷電粒子ビームの取り出しを防止し、併せて荷電粒子ビームに局所的なパルス電圧を印加し、パルス電圧の時間幅を調節することで、進行方向での荷電粒子分布を利用したビーム強度調節が可能となる。進行方向での荷電粒子分布を変化させる方法は、荷電粒子ビームを進行方向に閉じ込めている電圧の振幅並びに形状を変化させることで容易に行うことができ、多数の実例が存在する。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本願発明の荷電粒子ビームの取り出し方法は、パルス電圧を用いて、高速且つ安定的に荷電粒子ビームを取り出し、さらに取り出された荷電粒子ビームの強度を均一にし、高精度な照射線量制御を可能にするため、取り分け医療分野において利用されることが期待でき、照射時間の短縮および高精度の照射治療が可能になり、患者への治療での負担を軽減することができる。
【符号の説明】
【０１１６】
１      加速器
１ａ    加速器
２      シンクロトロン
２ａ    設計軌道
２ｂ    高周波加速空洞
２ｃ    高周波電圧
２ｄ    バンチモニタ
２ｅ    位置モニタ
２ｆ    通過シグナル
２ｇ    位置シグナル
２ｈ    高周波電圧
２ｉ    偏向電磁石
２ｊ    収束電磁石
２ｋ    発散電磁石
２ｍ    高周波電圧印加装置
２ｎ    シンクロトロン
２ｐ    真空ダクト
３      入射ライン
３ａ    前段加速
３ｂ    入射器
３ｃ    輸送管
４      出射ライン
４ａ    出射器
４ｂ    輸送管
５      ビーム利用ライン
６      荷電粒子ビーム
６ａ    荷電粒子群
６ｂ    荷電粒子群
６ｃ    荷電粒子
６ｄ    荷電粒子
６ｅ    高周波電圧
７      パルス電圧発生装置
７ａ    パルス電圧
７ｂ    正のパルス電圧
７ｃ    不のパルス電圧
７ｄ    誘導加速セル
７ｅ    制御装置
７ｆ    誘導電圧モニタ
７ｇ    電送線
７ｈ    スイッチング電源
７ｉ    ＤＣ充電器
７ｊ    ゲート信号パターン
７ｋ    パターン生成器
７ｍ    ゲート親信号
７ｎ    デジタル信号処理装置
７ｐ    内筒
７ｑ    外筒
７ｒ    磁性体
７ｓ    絶縁体
７ｔ    パルス電圧
７ｕ    １次電流
７ｖ    端部
７ｗ    電場
７ｘ    加速ギャップ
８      ６極電磁石
８ａ    安定外領域
８ｂ    安定領域
８ｃ    安定領域
８ｄ    境界
８ｅ    取り出し領域
８ｆ    境界
９      ビームモニタ
９ａ    ビーム強度シグナル
９ｂ    フィードバック制御
１０    ビーム取出制御機構
【図１】
2011019036.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011019036.tif 000012
【国際調査報告】
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2011019036.tif 000014
2011019036.tif 000015
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